Bancada didática para estudo de sensores de temperatura do tipo termopar

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Texto

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Universidade de Brasília – UnB

Faculdade UnB Gama – FGA

Engenharia Eletrônica

Bacanda didática para estudo de sensores de

temperatura do tipo termopar

Autor: Lucas Raposo Souza Carvalho

Orientador: Prof. Dr. Evandro Leonardo Silva Teixeira

Brasília, DF

2018

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Lucas Raposo Souza Carvalho

Bacanda didática para estudo de sensores de

temperatura do tipo termopar

Monografia submetida ao curso de graduação em Engenharia Eletrônica da Universidade de Brasília, como requisito parcial para ob-tenção do Título de Bacharel em Engenharia Eletrônica.

Universidade de Brasília – UnB Faculdade UnB Gama – FGA

Orientador: Prof. Dr. Evandro Leonardo Silva Teixeira

Brasília, DF

2018

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Lucas Raposo Souza Carvalho

Bacanda didática para estudo de sensores de temperatura do tipo termopar/ Lucas Raposo Souza Carvalho. – Brasília, DF,

2018-93p. : il. (algumas color.) ; 30 cm.

Orientador: Prof. Dr. Evandro Leonardo Silva Teixeira

Trabalho de Conclusão de Curso – Universidade de Brasília – UnB Faculdade UnB Gama – FGA , 2018.

1. Sensores. 2. Termopar. I. Prof. Dr. Evandro Leonardo Silva Teixeira. II. Universidade de Brasília. III. Faculdade UnB Gama. IV. Bacanda didática para estudo de sensores de temperatura do tipo termopar

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Lucas Raposo Souza Carvalho

Bacanda didática para estudo de sensores de

temperatura do tipo termopar

Monografia submetida ao curso de graduação em Engenharia Eletrônica da Universidade de Brasília, como requisito parcial para ob-tenção do Título de Bacharel em Engenharia Eletrônica.

Trabalho aprovado. Brasília, DF, 03 de Dezembro de 2018:

Prof. Dr. Evandro Leonardo Silva Teixeira

Orientador

Prof. Dr. Alessandro Borges Sousa Oliveira

Convidado 1

Prof. Dr. Eberth de Almeida Corrêa

Convidado 2

Brasília, DF

2018

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Este trabalho é dedicado às crianças adultas que, quando pequenas, sonharam em se tornar cientistas.

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Agradecimentos

Gostaria de agradecer a meus pais, avós e futura esposa que apoiaram-me a todos os momentos necessários e sempre aconselharam-me para seguir minha carreira profissional de forma honesta e responsável.

Também agradeço a equipe Apuama Racing por fazer com que eu aplique todos os meus conhecimentos adquiridos durante o curso e aperfeiçoar minhas habilidades como engenheiro.

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“O sucesso nasce do querer, da determinação e persistência em se chegar a um objetivo. Mesmo não atingindo o alvo, quem busca e vence obstáculos no mínimo fará coisas admiráveis. (José de Alencar)

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Resumo

O estudo de sensores é por muitas vezes de extrema importância para solução de proble-mas de engenharia. Com sensores, é possível interpretar uma entrada específica de uma ocorrência física ou química, convertê-la para uma grandeza conhecida e assim realizar uma análise da ocorrência. Este trabalho tem por objetivo desenvolver uma bancada para estudo de sensores de temperatura do tipo termopar. Esta bancada é capaz de adquirir dados de temperatura em tempo real para análise didática em disciplinas na Universidade, vinculada ao estudo de instrumentação eletrônica e física. A bancada consiste em adquirir os dados de temperatura a partir do elemento sensor do tipo Termopar. Um equipamento eletrônico projetado neste trabalho faz a aquisição destes dados e, a partir de uma aplica-ção em software desenvolvida neste trabalho, o usuário é capaz de fazer análise em tempo real e ensaios programados a partir de parâmetros pré determinados. Com estes dados, o trabalho apresenta ensaios de fluxo de calor unidimensional e funcionamento da bancada. O produto é projetado e fabricado para atender o usuário em qualquer faixa de apren-dizagem, não necessitando de conhecimentos específicos de engenharia para manusear o equipamento. O termopar é pré-calibrado para realizar medições de temperaturas acima da temperatura ambiente.

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Abstract

The study of sensors is, a lot of times, of massive importance for engineering problem solving. With sensors, it is possible to interpretate an specific entry of a physical or chem-ical occurrence, convert it to a known quantity and therefore perform an analysis of the occurrence. This paper has for its goal to develop a bench for study of temperature sensors of the Thermocouple type. This bench is capable of acquiring temperature data in real time for didactic analysis in subjects at the University, linked to the study of electronic and physical instrumentation. The bench consists in acquiring the temperature data from the sensor element of the Thermocouple type. A electronic equipment designed in this paper makes the acquisition of this data and, from a software application developed in this task, the user is capable of making a real time analysis and programmed rehearsals from pre-determined parameters. With this data, the work presents rehearsals of unidi-mensional heat flows and bench functionality. The producted is projected and produced to service the user in any level of learning, without the need of specific engineering knowledge to handle it. The Thermocouple is pre-calibrated to realize temperature measurements above room temperature.

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Lista de ilustrações

Figura 1 – Bancada didática da Weg. (Weg, 2017) . . . 31

Figura 2 – Efeito seebeck aplicado a um Termopar. (Matthew, 2010) . . . 33

Figura 3 – Termopar Tipo K. . . 35

Figura 4 – Efeito de seebeck com junta de referência. (ECIL, 2016) . . . 35

Figura 5 – Exemplo de Amplificador Inversor. (SEDRA, 1995) . . . 37

Figura 6 – Diagrama de Blocos funcional CI AD595. (Analog Devices, 1999) . . . 38

Figura 7 – Esquemático geral do Projeto. . . 42

Figura 8 – Esquemático do módulo eletrônico. (Produção do próprio autor, 2018) 42 Figura 9 – Esquemático de sinais no Módulo Eletrônico. (Produção do próprio autor, 2018) . . . 43

Figura 10 – Esquemático simplificado do comportamento do Módulo Experimental 1.. . . 44

Figura 11 – Projeto 3D interno do Módulo Experimental 1. . . 44

Figura 12 – Projeto 3D completo do Módulo Experimental 1. . . 45

Figura 13 – Projeto 3D completo do Módulo Experimental 2. . . 45

Figura 14 – Arduino Nano V3.0. (Arduino, 2017) . . . 49

Figura 15 – Pinagem do CI INA125. (TI, 2009) . . . 50

Figura 16 – Esquema simplificado INA com Termopar. (TI, 2009) . . . 51

Figura 17 – Circuito amplificador de temperatura com AD595. (Produção do pró-prio autor, 2017) . . . 52

Figura 18 – Circuito Generalizado para Acionamento de Relé com Arduino. (Pro-dução do próprio autor, 2018) . . . 53

Figura 19 – Características da Bobina do Relé SRD-S-112D. (Sanyou Relays, 2018) 53 Figura 20 – Características do Transistor NPN BC549. (FairChild, 2002) . . . 54

Figura 21 – Esquemático do circuito de ganho. (Produção do próprio autor, 2017) . 55 Figura 22 – Diagrama conceitual do Multiplexador. (Produção do próprio autor, 2018) . . . 55

Figura 23 – Diagrama de Multiplexação da Bancada. (Produção do próprio autor, 2018) . . . 56

Figura 24 – Pinagem do Multiplexador 4052. (NXP Semiconductors, 2016) . . . 56

Figura 25 – Resistor Cerâmico. . . 57

Figura 26 – Simbologia do Transistor NPN. . . 58

Figura 27 – Características do Transistor NPN TIP41. (FairChild, 2000) . . . 58

Figura 28 – Esquemático do controlador de temperatura. (Produção do próprio au-tor, 2018) . . . 59

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Figura 30 – CAD e PCB do Módulo de Conversão de Dados INA125. (Produção do próprio autor, 2018) . . . 61 Figura 31 – CAD e PCB do Módulo de Conversão de Dados com AD595. (Produção

do próprio autor, 2018) . . . 61 Figura 32 – CAD e PCB do Módulo de Conversão de Dados AD595. (Produção do

próprio autor, 2018) . . . 63 Figura 33 – CAD e PCB do Módulo do Condicionador de Sinais. (Produção do

próprio autor, 2018) . . . 63 Figura 34 – CAD e PCB do Módulo do Controlador de Temperatura. (Produção

do próprio autor, 2018) . . . 64 Figura 35 – Diagrama do Software da bancada. (Produção do próprio autor, 2018) 65 Figura 36 – Diagrama do Firmware da bancada. (Produção do próprio autor, 2018) 65 Figura 37 – Fuxograma completo do Firmware da bancada, parte A. (Produção do

próprio autor, 2018) . . . 66 Figura 38 – Fuxograma completo do Firmware da bancada, parte B. (Produção do

próprio autor, 2018) . . . 67 Figura 39 – Diagrama do Padrão MVC adotado na Aplicação. (Produção do próprio

autor, 2018) . . . 69 Figura 40 – Diagrama do bloco Janela da Aplicação. (Produção do próprio autor,

2018) . . . 70 Figura 41 – Diagrama do bloco Modelo da Aplicação. (Produção do próprio autor,

2018) . . . 71 Figura 42 – Tela de apresentação do programa. (Produção do próprio autor, 2018). 73 Figura 43 – Tela inicial do programa. (Produção do próprio autor, 2018) . . . 73 Figura 44 – Tela de Conexão do Software. (Produção do próprio autor, 2018) . . . 74 Figura 45 – Mensagem de Erro em caso de não conexão. (Produção do próprio

autor, 2018) . . . 74 Figura 46 – Tela de Configurações do Software. (Produção do próprio autor, 2018) 75 Figura 47 – Tela de Seleção de Ensaio. (Produção do próprio autor, 2018) . . . 75 Figura 48 – Telas dos Módulos Experimentais. (Produção do próprio autor, 2018) . 76 Figura 49 – Exemplo de Tela de Propriedades do gráfico. (Produção do próprio

autor, 2018) . . . 76 Figura 50 – Tela de Ensaio do Módulo Experimental 1. (Produção do próprio autor,

2018) . . . 80 Figura 51 – Ensaio Módulo 1 após inicialização. (Produção do próprio autor, 2018) 81 Figura 52 – Ensaio Módulo 1 após queda de fluxo. (Produção do próprio autor, 2018) 81 Figura 53 – Tela de Ensaio do Módulo Experimental 2. (Produção do próprio autor,

2018) . . . 82 Figura 54 – Ensaio do módulo Experimental 2. (Produção do próprio autor, 2018) . 83

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Figura 55 – Projeto Proteus do Módulo de Aquisição. (Produção do próprio autor, 2018) . . . 91 Figura 56 – Projeto Proteus do Módulo de Conversão de Dados INA125. (Produção

do próprio autor, 2018) . . . 91 Figura 57 – Projeto Proteus do Módulo de Conversão de Dados AD595. (Produção

do próprio autor, 2018) . . . 92 Figura 58 – Projeto Proteus do Circuito do ganho do Amplificador. (Produção do

próprio autor, 2018) . . . 92 Figura 59 – Projeto Proteus do Controlador de Temperatura. (Produção do próprio

autor, 2018) . . . 92 Figura 60 – Projeto Proteus do Condicionador de Sinais. (Produção do próprio

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Lista de tabelas

Tabela 1 – Tipos de Termopar . . . 34

Tabela 2 – Tensão x Coeficiente seebeck (25∘𝐶) (Mattew, 2010) . . . 36

Tabela 3 – Especificações Arduíno Nano (Arduino.cc,2008) . . . 49

Tabela 4 – Características do Sensor LM35 (TI,2017) . . . 51

Tabela 5 – Tabela de seleção do Multiplexador (NXP Semiconductors, 2016) . . . 56

(22)
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Lista de abreviaturas e siglas

Pt. Platina Rh Ródio W Tungstênio Re Rênio Ni Níquel Cr Cromo Cu Cobre Fe Ferro Mn Manganês Al Alumínio Si Silício Mg Magnésio

USB Universal Serial Board

IDE Integrated Development Enviroment TCC Trabalho de conclusão de curso CI Circuito Integrado

SMD Surface-mount technology KB Kilo Bytes

B Bytes

A/D Analógico Digital MHz Mega Hertz

DIP Dual in-line Package TI Texas Instruments

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Lista de símbolos

𝜌 Letra grega minúsucla Rô Δ Letra grega maiúscula Delta

𝜖 Letra grega minúscula Epsilon

𝜇 Letra grega minúscula Mu

Grau

Ω Letra grega maiúscula omega Φ Letra grega maiúscula phi

𝜏 Letra grega minúscula tal

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Sumário

1 INTRODUÇÃO . . . 27 1.1 Objetivos . . . 27 1.1.1 Objetivo Geral . . . 27 1.1.2 Objetivo Específico . . . 27

I

ASPECTOS GERAIS

29

2 REVISÃO BIBLIOGRÁFICA . . . 31

2.1 Definição de bancadas didáticas . . . 31

2.2 Estudo de temperatura . . . 32 2.2.1 Elemento Sensor . . . 32 2.2.2 Termopar . . . 33 2.2.3 Efeito Seebeck . . . 34 2.2.4 Amplificadores de sinais . . . 36

II

METODOLOGIA

39

3 PROJETO DE BANCADA . . . 41 3.1 Visão Geral . . . 41 3.1.1 Módulo Eletrônico . . . 41 3.1.2 Módulo Experimental 1 . . . 43 3.1.3 Módulo Experimental 2 . . . 45 3.2 Requisitos de Software. . . 46 3.2.1 Firmware da Bancada. . . 46 3.2.2 Aplicação para os ensaios . . . 46

4 DESENVOLVIMENTO . . . 49

4.1 Proposta e solução em eletrônica . . . 49 4.1.1 Módulo de Aquisição de dados . . . 49 4.1.2 Módulo de amplificação e conversão de dados . . . 50 4.1.3 Circuito para configuração do ganho de amplificação . . . 52 4.1.4 Multiplexação dos canais de aquisição de dados. . . 54 4.1.5 Resistores de Aquecimento . . . 57 4.1.6 Controlador de Temperatura . . . 58

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4.2.1 Módulo de Aquisição de Dados . . . 59 4.2.2 Módulo de amplificação e conversão de dados . . . 60 4.2.3 Circuito para configuração do ganho de amplificação . . . 62 4.2.4 Multiplexação dos canais de aquisição de dados. . . 62 4.2.5 Controlador de Temperatura . . . 64

4.3 Proposta e solução em Software . . . 64 4.3.1 Firmware . . . 65 4.3.2 Aplicação . . . 68

4.3.2.1 Arquitetura de Software . . . 68

4.3.2.2 Telas . . . 72

III

RESULTADOS E CONCLUSÕES

77

5 ESTUDO DE CASO . . . 79 5.1 Módulo Experimental 1 . . . 79 5.1.1 Metodologia . . . 79 5.1.2 Ensaio . . . 80 5.2 Módulo Experimental 2 . . . 82 5.2.1 Metodologia . . . 82 5.2.2 Ensaio . . . 82 6 CONCLUSÕES . . . 85 7 REFERÊNCIAS . . . 87

APÊNDICES

89

APÊNDICE A – PROJETOS FEITO EM PROTEUS DE CADA PLACA DO MÓDULO ELETRÔNICO . . . 91

(29)

27

1 Introdução

O estudo em engenharia em universidades cada vez mais mostra diferentes formas de aprendizagem. A cada momento, percebe-se que os docentes unem o conteúdo teórico já apresentado com aulas práticas, como laboratórios, estudos de campo, simulações, entre outros. Essa união se mostra cada vez mais eficiente para a aprendizagem do estudante, que o coloca mais próximo do que ele terá de enfrentar no mundo profissional.

Acrescentando aos equipamentos de bancadas didáticas para estudos na univer-sidade, este trabalho será de extrema importância para o estudo de sensores pois será capaz de forma didática apresentar dados de ensaios de temperatura. Com a construção desta bancada, será possível incrementar às aulas práticas para a matérias cujo conteúdo abrange instrumentação eletrônica.

Em sistemas mecânicos, hidráulicos, elétricos e eletrônicos uma grandeza física es-sencial sempre presente é a temperatura. Esse elemento pode ser favorável aos projetos ou não, logo deve-se sempre atentar a temperatura a qual os equipamentos funcionam. Devido a isso, a bancada didática será capaz de realizar estudos de temperatura, para ser capaz de mostrar os limites de temperatura que um objeto trabalha e as mudanças físicas que ocorrem. Logo pode-se comprovar o comportamento do material em diferentes tem-peraturas ou até determinar temperatura de fundição, condensação, solidificação, entre outras.

1.1

Objetivos

1.1.1

Objetivo Geral

Este trabalho tem por objetivo o projeto e fabricação de uma bancada para estudos de sensores de temperatura. Esta bancada fará o estudo de temperatura, devendo ser uma bancada portátil, de fácil operação e intuitiva.

1.1.2

Objetivo Específico

1. Desenvolver uma bancada didática para estudos de sensores do tipo termopar;

2. Adquirir sinais elétricos do elemento sensor termopar;

3. Amplificar e converter estes sinais para dados;

(30)

28 Capítulo 1. Introdução

5. Tratar os dados atráves do processo de filtragem;

6. Apresentar estes dados para o usuário através de uma interface em tempo real a partir de ensaios;

7. Realizar ensaio para estudo do comportamento do fluxo de calor através de diferentes materiais metálicos;

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Parte I

(32)
(33)

31

2 Revisão Bibliográfica

2.1

Definição de bancadas didáticas

Bancadas didáticas são definidas como equipamentos com uma aplicação especí-fica controlada na qual o usuário pode se instruir ou instruir outras pessoas de maneira eficiente (Giordani, Jurach e Rodrigues, 2003). Estas bancadas devem abrager todos os conhecimentos necessários aos quais foram projetadas para transmitir.

A didática é a técnica de ensinar e é passada de diversas maneiras entre os seres humanos desde o início da vida humana (Aurélio, 2007). Nos termos de engenharia, téc-nicas que fazem o aluno aprender de forma prática mostraram-se desde dos anos 60 mais eficientes quando unidas com o estudo teórico previamente visto, didática conhecida como tecnicista (Campos e Guimarães, 2011). Desde então, inúmeros estudos foram realizados para atingir o ápice da eficiência didática a partir de métodos práticos como ensaios, estudos de campo, projetos, entre outros. Um desses métodos é a utilização de bancadas didáticas.

Ao realizar uma breve pesquisa, é possível encontrar bancadas didáticas que se-guem estas técnicas citadas anteriormente. Um exemplo é uma bancada para treinamentos da Weg centrada no treinamento para pessoas que trabalham com a área de energia elé-trica. A bancada é dividida em módulos, nos quais podem ser removidos e substituidos por módulos para a finalidade específica que deseja.

Figura 1 – Bancada didática da Weg. (Weg, 2017)

Há vários tipos de bancadas com diferentes finalidades. Porém em qualquer ban-cada deve-se atentar a alguns pontos básicos. A banban-cada deve ser de fácil utilização para qualquer pessoa com o mínimo de conhecimento sobre a aplicação seja capaz de

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manu-32 Capítulo 2. Revisão Bibliográfica

sear. Logo, para facilitar o manuseio, a bancada deve ser sinalizada e protegida em locais onde possam ocorrer acidentes, como por exemplo, locais de aquecimento devem haver proteção contra contato com a pele, locais onde tenham condutores de corente elétrica elevada devem ser isolados, entre outros. A bancada projetada neste documento é para estudos da grandeza física temperatura.

2.2

Estudo de temperatura

Com o aumento da tecnologia, é necessário compreender minuciosamente todos os parâmetros que regem o estudo de um material ou equipamento. Uma medição fundamen-tal para estudo é a temperatura. Várias características de um material são dependentes da temperatura que o material está. Logo, um estudo do comportamento do material com a variação da temperatura é essencial para um projeto bem planejado. Temperatura também é uma característica crítica para funcionamento de dispositivos eletrônicos, por isso, sistemas de proteção de excesso de temperatura devem ser calibrados da maneira correta.

2.2.1

Elemento Sensor

Para realizar medições de temperatura o mercado utiliza sensores como termor-resistências, termômetros, termistores, termopares, entre outros. Cada sensor tem uma característica específica que limita o uso, logo compreender a necessidade do projetista é de extrema importância para um projeto bem executado.

Para processos industriais a necessidade de ter um maquinário funcionando pro-duzindo com maior capacidade gera maior lucro para o produtor. Tendo isso em vista, investimentos em sensores térmicos são essenciais, pois uma máquina trabalhando acima da temperatura comum de funcionamento pode acarretar uma diminuição da vida útil, trazendo prejuízo ao produtor. O uso dos sensores térmicos também trazem vantagens na padronização de produtos, aumentando a qualidade e otimizando o processo de fabricação. Para adquirir dados de um sensor de temperatura há algumas dificuldades as quais projetistas devem atentar-se. Os sinais de sensores térmicos são de forma analógica e, para tratar estes dados após aquisição, deve ser feita a conversão do sinal para formato digital. Para resolver isto, deve-se utilizar um conversor A/D (Analógico - Digital) o qual acarreta em perda na precisão do sinal medido pelo sensor.

O ruído também é um fator o qual é aparente no uso de sensores térmicos. Com a diferença de temperatura, o material do próprio sensor pode ter suas características modificadas e com isso alterar exatidão do sensor. Em alguns sensores, como as termorre-sistências, há o problema de passagem de corrente por ele, e essa corrente pode ocasionar um aquecimento do elemento sensor, alterando a exatidão do valor medido. Componentes

(35)

2.2. Estudo de temperatura 33

como termorresistências e termopares há uma baixa resistividade entre os terminais de saída. Com isso, a dificuldade da medição ocorre quando há cabos de ligação ou elementos paralelos que possam alterar a característica resistiva equivalente do circuito.

Dentre os elementos sensores térmicos existentes, o termopar abrange uma parte deste mercado. Devido a características como grande faixa de medição e confiabilidade, o elemento sensor do tipo termopar é utilizado desde aplicações simples, como medição de temperatura em multímetros, até aplicações industriais, como medição de temperatura de máquinas de grande porte.

2.2.2

Termopar

Para grandes faixas de medições de temperatura, a preferência do mercado é o sensor Termopar. Este sensor foi utilizado na Escala internacional de Temperatura de 1990 (ITS 90) para determinar uma grande escala de temperatura, entre −261∘𝐶 a 927𝐶.

O termopar é bem difundido no mercado porque é um sensor de fácil utilização que consegue uma alta precisão e uma faixa de medição bem elevada, podendo ser utilizado desde aplicações em temperatura ambiente até altas temperaturas como em fundição de metais.

O princípio de funcionamento do termopar é regido pelo efeito seebeck. O efeito de seebeck consiste em dois materiais dissimilares ligados em uma extremidade, conhecida como junta quente, e esta mesma extremidade submetida a uma diferença de temperatura. A outra extremidade não unida liga-se a um condicionador de sinal a partir de fios de sinal. Logo, será gerada uma diferença de potencial dependente da temperatura na junta quente e na junta de referência (Duff e Towey, 2010). A partir dessa diferença de potencial pode-se determinar a temperatura em que a extremidade sensível está submetida. Esse conceito basea-se na primeira lei do efeito termoelétrico, que rege todo o funcionamento de um termopar.

Figura 2 – Efeito seebeck aplicado a um Termopar. (Matthew, 2010)

Existem vários tipos de termopar, a mudança física que ocorre é a diferença dos materiais que são unidos para o funcionamento. A mudança sensorial afeta a faixa de

(36)

34 Capítulo 2. Revisão Bibliográfica

medição que o termopar é capaz de medir. A tabela 1 apresenta os tipos e faixa de medição dos termopares.

Tabela 1 – Tipos de Termopar

Tipo Positivo (%) Negativo (%) Faixa de Temperatura (oC)

B Pt, 30% Rh Pt, 6% Rh 300 a 1700 C W, 5% Re W, 26% Rh 0 a 2320 D W, 3% Re W, 25% Re 0 a 2320 E Ni, 10% Cr Cu, 45% Ni -200 a 900 G W W, 26% Re 0 a 2320 J Fe Cu, 45% Ni -200 a 750 K Ni, 10% Cr Ni, 2% Mn, 2% Al -200 a 1250 N Ni, 14% Cr, 1% Si Ni, 4% Si, 0.1% Mg -200 a 1350

R Pt, 13% Rh Pt 0 a 1450

S Pt, 10% Rh Pt 0 a 1450

T Cu Cu, 45% Ni -200 a 350

Para fazer a leitura de um termopar, deve-se atentar ao efeito da junta fria ou junta de referência, efeito que é apresentado na segunda lei do efeito termoelétrico. A lei diz que a soma algébrica das forças temoelétricas é zero se todas as junções estão sujeitas a mesma temperatura. As juntas de materiais dissimilares que não estão a temperatura que se deseja medir é conhecida como junta fria ou junta de referência.

Esse local de junta de referência funciona como um novo termopar porém com temperatura diferente da junta quente, alterando o valor do sinal medido. A terceira lei do efeito termoelétrico diz que se há 3 juntas com temperaturas diferentes (𝑇1, 𝑇2, 𝑇3), se

𝑇1 e 𝑇2 produzem um tensão 𝑉1 e as juntas 𝑇2 e 𝑇3 produzem uma tensão 𝑉2, logo as

juntas 𝑇1 e 𝑇3 irá gerar a tensão 𝑉3 que é dada por:

𝑉3 = 𝑉1+ 𝑉2 (2.1)

Para resolver este problema, deve-se medir a temperatura neste local e realizar uma compensação, denominada compensação da junta fria.

2.2.3

Efeito Seebeck

O efeito de seebeck é capaz de apresentar variação de tensão a partir da mudança de temperatura, porém, alguns cuidados devem ser tomados para evitar medições incon-sistentes com a realidade. Como o termopar (Elemento sensor que é regido pelo efeito seebeck para o funcionamento) tem uma alta faixa de temperatura de atuação e a tensão de saída é de baixa amplitude, a resolução do sensor termopar é baixa (Podendo chegar a casa de 41𝜇𝑉 /𝐶), dificultando a medição e facilitanto com que ruídos causem alteração

(37)

2.2. Estudo de temperatura 35

Figura 3 – Termopar Tipo K.

Uma das dificuldades de calibrar o termopar é ajustar o valor da junta de referência. É necessário realizar o ajuste da junta de referência quando há união de materiais distintos fora do local de medição. Por exemplo, pela figura 4observa-se que o termopar é fabricado com materiais do tipo "A"e "B". Porém, há a junção destes materiais com um material do tipo "C". Neste local deve ser feita a compensação da junta de referência.

Figura 4 – Efeito de seebeck com junta de referência. (ECIL, 2016)

Se pela figura 4 a junta de medição for 𝐽1, a junta de referência for 𝐽2 e a

Tem-peratura no Voltímetro for 𝐽3, de acordo com a terceira lei do efeito termoelétrico onde

a soma das tensões das juntas por todo o termopar é igual a tensão entre as juntas mais externas, observa-se que:

𝑉𝑇 𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑉𝐽1 − 𝑉𝐽2 + 𝑉𝐽3 (2.2)

O erro medido será a diferença entra a temperatura da junta de medição e o que foi medido, logo:

𝐸𝑇 𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑉𝐽1 − (𝑉𝐽1 − 𝑉𝐽2 + 𝑉𝐽3) (2.3)

Resolvendo:

𝐸𝑇 𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑉𝐽2 − 𝑉𝐽3 (2.4)

Percebe-se que o erro de medição será dado pela diferença do valor da junta de referência e a temperatura ambiente no local da medição.

Outra dificuldade encontrada na medição de temperatura a partir de um termopar é o coeficiente de seebeck não linear. O coeficiente é dado pelo valor de tensão aumentado por graus Celsius. Porém independente do tipo do termopar, esse coeficiente altera no

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36 Capítulo 2. Revisão Bibliográfica

decorrer da temperatura. Abaixo segue tabela com valores do coeficiente de seebeck a 25∘𝐶.

Tabela 2 – Tensão x Coeficiente seebeck (25∘𝐶) (Mattew, 2010)

Tipo Coeficiente seebeck (𝜇𝑉 /𝐶)

E 61 J 52 K 41 N 27 R 9 S 6 T 41

Como dito anteriormente, o sinal recebido pelo termopar é de baixa amplitude e para aquisição é necessário uma amplificação do sinal para ser percepitível pelos equipa-mentos de medição.

2.2.4

Amplificadores de sinais

Normalmente, transdutores fornecem sinais de baixa amplitude, na faixa de mili-volts (𝑚𝑉 ) ou micromili-volts (𝜇𝑉 ). Isso causa uma dificuldade na leitura destes sinais, pois a variação de tensão é baixa. Para resolver este problema, utiliza-se amplificadores de sinais.

Os amplificadores tem a tarefa de aumentar a quantidade de energia dos sinais adquiridos por ele. Idealmente, a tarefa de um amplificador é replicar a onda adquirida, porém com amplitude maior, ou seja, mantendo todos os outros parâmetros como frequên-cia, ciclo de trabalho, comprimento, offset, entre outros (SEDRA, 1995). A equação 2.5 mostra o valor de tensão de saída de um amplificador de tensão ideal.

𝑉𝑜 = 𝑉𝑖* 𝐺 (2.5)

Onde o 𝑉𝑜 é a tensão de saída do amplificador; 𝑉𝑖 é a tensão de entrada do

ampli-ficador é 𝐺 é o ganho do ampliampli-ficador. Logo, o ganho do ampliampli-ficador, também chamado de função de transferência é apresentado de acordo com a equação 2.6 .

𝐺 = 𝑉𝑜 𝑉𝑖

(2.6)

Amplificadores são componentes com resistência de entrada elevada, podendo che-gar em alguns casos a 6𝑀 Ω (TI, 2015). Isso faz com que o ganho do amplificador 𝐺 possa ser determinado através do circuito de amplificação montado com o respectivo amplifica-dor. Por exemplo, na figura5 tem-se um circuito típico de amplificador inversor.

(39)

2.2. Estudo de temperatura 37

Figura 5 – Exemplo de Amplificador Inversor. (SEDRA, 1995)

Para fins de cálculo, considera-se a impedância de entrada do Amplificador como inifinita. Com isso, a corrente elétrica 𝐼+ e a tensão 𝑉𝑖𝑛 são zero. As equações 2.7 e 2.8

pela lei de Kirchoff dos nós e a equação 2.9 pela lei de Ohm regem o comportamento do circuito. 𝑉𝑜 = −𝐼𝐹 * 𝑅𝐹 (2.7) 𝐼𝐹 = 𝐼𝑒 (2.8) 𝐼𝑒 = 𝑉𝑖− 𝑉𝑖𝑛 𝑅1 (2.9)

Substituindo as equações 2.8 e 2.7 na equação 2.6, tem-se que o Ganho do am-plificador 𝐺 é dependente apenas das resistências que compõe o circuito, como mostra a equação 2.10 . 𝐺 = 𝑉𝑜 𝑉𝑖 = −𝑅𝐹 𝑅1 (2.10)

Existem amplificadores de diversas formas e propriedades. Para utilização de ter-mopares, utiliza-se amplificadores de alta precisão, pois são elementos sensores cuja a os-cilação sobre o valor aferido é relevante. No mercado, fabricantes como Texas Instruments e Analog Devices fabricam CI’s para aplicação em termopares. Estes CI’s internamente são compostos de diversos amplificadores interligados a fim de realizar a amplificação do sinal de forma fiel ao sinal de entrada. A figura 6 mostra como exemplo o diagrama de blocos funcional do interior de um CI específico para amplificação de sinais de termopares.

(40)

38 Capítulo 2. Revisão Bibliográfica

Figura 6 – Diagrama de Blocos funcional CI AD595. (Analog Devices, 1999)

Como mostra a figura 6 , este CI tem funções específicas para a utilização em termopares como a compensação da junta de referência interna ao CI e um alarme para quando não houver um termopar conectado.

(41)

Parte II

Metodologia

(42)
(43)

41

3 Projeto de Bancada

3.1

Visão Geral

A bancada é o equipamento projetado e construído para realizar o estudo de tempe-ratura. A bancada é de fácil utilização podendo ser manuseada por alunos ou professores. O peso e as dimensões são projetadas de forma que o usuário possa transportar de forma fácil e prática, sem necessidade de outras pessoas ou equipamentos para carregamento.

A bancada deve permitir:

1. Observar o comportamento do fluxo de calor através de diferentes materiais metá-licos;

2. Adquirir sinais de temperatura de um resistor;

3. Amplificar o sinais adquiridos de duas formas diferentes com a finalidade de com-parar resultados;

4. Amplificar estes sinais em ganhos diferentes cujo usuário possa selecionar; 5. Realizar tratamento destes dados a partir de filtragem em software; 6. Apresentar estes dados em uma interface em tempo real para o usuário;

A bancada é feita em duas partes separadas, cada parte realizando um estudo de caso diferente para temperatura. O item 1 da lista, para estudo de fluxo de calor unidimensional, será o Módulo Experimental no1. O Módulo Experimental no1 tem o objetivo de estudar o fluxo de calor unidimensional que flui através de materiais metálicos de propriedades, como condutividade térmica, diferentes.

O item 2 da lista, o qual adquiri sinais de temperatura de um resistor, será o módulo Experimental no2 e tem como objetivo um estudo generalizado do termopar e também uma forma simplificada de exibir as funcionalidades da bancada.

A imagem7 apresenta o diagrama geral da bancada.

Todos os casos de teste são para estudos de temperatura, porém para objetivos diferentes. Cada Módulo Experimental é detalhado nas subseções abaixo;

3.1.1

Módulo Eletrônico

O módulo eletrônico é responsável por gerenciar o funcionamento da bancada. Ele é responsável por adquirir o sinal dos sensores, amplificá-los, processá-los e tratar antes

(44)

42 Capítulo 3. Projeto de Bancada

Figura 7 – Esquemático geral do Projeto.

de apresentá-los ao usuário. Além de aquisição dos dados, o módulo é responsável por acionar o aquecedor de cada módulo experimental e fazer alterações de ganho dos sistemas de amplificação. Dentro do Módulo Eletrônico, realizou-se a modularização das partes, afim de facilitar a manutenção de placas eletrônicas em caso de avarias. Isso significa que cada função do módulo (Amplificação, Aquisição, Condicionamento de sinal, etc) tem uma placa separada, modularizando o projeto. A figura8 mostra o diagrama do módulo eletrônico.

Figura 8 – Esquemático do módulo eletrônico. (Produção do próprio autor, 2018)

Devido ao elemento sensor gerar um sinal de baixa amplitude, é necessária uma amplificação deste sinal para conseguir realizar a leitura. No projeto, de acordo com a figura 8, há duas formas de amplificação e conversão. Isso acontece para efeito de comparação entre os amplificadores.

O módulo de amplificação e conversão 2 terá como característica ser um elemento já pré-calibrado, realizará a compensação da junta de referência internamente e o ganho de amplificação é constante. Já o módulo de amplificação e conversão 1 terá como carac-terística ser um elemento o qual necessita de uma calibração, realizar a compensação da junta de referência de forma externa e o ganho de amplificação deverá ser variável.

(45)

3.1. Visão Geral 43

Devido ao módulo de amplificação e conversão 1 necessitar de um ganho variável, deverá ter um módulo para configurar o ganho deste amplificador. Este módulo irá re-ceber comando da Aquisição de dados e a partir destes comandos irá variar o ganho do amplificador. Esta tarefa tem o objetivo de conseguir realizar ensaios onde a variação de temperatura será menor. Quanto menor a variação de temperatura, maior deverá ser o ganho, para assim, a variação ser perceptível a aquisição de dados.

Devido a Aquisição de sinais não ser capaz de adquirir todos os sinais amplificados ao mesmo tempo, é necessário uma multiplexação de sinais. O módulo de multiplexação dos canais de aquisição é o responsável a este objetivo. Este módulo receberá todos os sinais de entrada após amplificação e conversão. A partir de um comando do módulo de aquisição de dados, o módulo de multiplexação deverá selecionar quais são os sinais de entrada que serão enviados para a aquisição. O módulo deverá selecionar ou os sinais do módulo de amplificação e conversão 1 ou os sinais do módulo de amplificação e conversão 2.

Após a amplificação e seleção, a placa de Aquisição de sinais recebe o sinal re-sultante, e tem a função de processar este sinal, tratando-o de forma que fique legível ao usuário, realizando filtros com softwares e eliminando ruídos. Após todo o tratamento do sinal é montada a Stream de dados e enviada serialmente ao computador, para ser captado pelo software.

Figura 9 – Esquemático de sinais no Módulo Eletrônico. (Produção do próprio autor, 2018)

Todo o caminho do sinal desde o elemento sensor, até o computador é mostrado na figura 9em forma de diagrama.

3.1.2

Módulo Experimental 1

O Módulo Experimental 1 deve ser um aparelho que consiga, de forma eficiente, realizar o estudo do fluxo de calor unidimensional. Esse fluxo será através de materiais com condutividade térmica diferentes. A imagem 10mostra de forma simplificada, como o estudo é feito.

(46)

44 Capítulo 3. Projeto de Bancada

Figura 10 – Esquemático simplificado do comportamento do Módulo Experimental 1.

Para isso, este módulo consiste em uma caixa termicamente isolada na qual dentro dela há 3 peças de materiais diferentes ligadas entre si e em uma das extremidades há um resistor utilizado para aquecimento. Os elementos sensores (Termopar) são fixados na junção entre resistor e primeiro material e também são localizados ao final do terceiro material. Quando o resistor de aquecimento é ligado, é possível analisar a temperatura de ambas as extremidade dos corpos de prova.

Figura 11 – Projeto 3D interno do Módulo Experimental 1.

A figura 11apresenta a construção interna do Módulo Experimental. Para melhor caracterização do teste, há um isolamento térmico externo ao teste constituido por uma caixa de aço fechada com uma manta térmica fixada as paredes da caixa, como mostra a figura12 .

(47)

3.1. Visão Geral 45

Figura 12 – Projeto 3D completo do Módulo Experimental 1.

3.1.3

Módulo Experimental 2

O Módulo Experimental 2 consiste no estudo do comportamento de um resistor quando é aquecido. O objetivo deste ensaio é avaliar o funcionamento do termopar como um sensor de temperatura, podendo também mostrar as propriedades da bancada e sua funcionalidade. Além disso, também a forma com que um resistor de potência aquece.

Figura 13 – Projeto 3D completo do Módulo Experimental 2.

Para isso, no experimento tem-se um resistor para aquecimento. Neste resistor, há elementos sensíveis espalhados pela superfície. Com isso, quando submetido a uma diferença de tensão é possível analisar como o resistor aquece referindo ao local de aque-cimento.

(48)

46 Capítulo 3. Projeto de Bancada

3.2

Requisitos de Software

3.2.1

Firmware da Bancada

O firmware da bancada deve ser projetado com eficiência, de forma que mini-mize a quantidade de cálculos durante execução, evitando sobrecarregamento de cálculos computacionais. Para isso, o firmware deverá satisfazer os requisitos:

1. A linguagem de programação deverá ser compatível com o hardware microcontrolado da bancada.

2. A aquisição dos dados deverá ser em forma de loop, onde não necessita de um pedido da aplicação para realizar a aquisição.

3. Os dados adquiridos deverão passar por filtragem, com a finalidade de diminuir ruídos.

4. Realizar a conversão dos valores adquiridos em valores de tensão 5. Utilizar um protocolo de comunicação compatível com a aplicação

6. Montar a Stream de dados com os valores adquiridos de acordo com o protocolo determinado.

7. Enviar o Stream via serial.

8. Paralelamente ao envio de dados, deve-se aguardar o comando da aplicação para alterar configuração da bancada.

9. Em caso de recebimento de dados da aplicação, o firmware deve interpretar o co-mando a partir do protocolo determinado.

10. A partir dos comandos recebidos, deve ser capaz de alterar o ganho do módulo de amplificação e conversão, acionar resistores de aquecimento, alterar a seleção do módulo de multiplexação de canais de aquisição.

3.2.2

Aplicação para os ensaios

A aplicação deve ser projetada e desenvolvida para fins didáticos, de forma que o método de aprendizagem da bancada seja quase que instintivo. Para isso, a aplicação deverá:

1. Conectar a bancada através de conexão Serial

(49)

3.2. Requisitos de Software 47

3. A partir dos valores coletados no Stream de dados, ser capaz de reconhecer quando a conexão realizada não é compatível com o esperado no Stream.

4. Realizar, em tempo real, a calibração dos instrumentos de medição, recebendo os da-dos de leitura e permitindo o usuário realizar alterações nas características estáticas de todos os canais de aquisição.

5. Configurar a forma de aquisição de dados da bancada e ser capaz de enviar estes dados a bancada, alterando as configurações de aquisição.

6. As configurações selecionadas na aplicação devem ser capazes de alterar o amplifi-cador que fará a aquisição, o ganho do amplifiamplifi-cador, a taxa de aquisição e a unidade de temperatura a ser convertida.

7. Salvar o arquivo de configuração e de dados de calibração, com o objetivo de utilizar a qualquer momento, sem necessitar de realizar novas configurações.

8. Quando houver carregamento de arquivo de configuração já utilizado anteriormente, identificar se o arquivo carregado realmente é um arquivo de configuração.

9. Permitir que o usuário selecione o ensaio o qual iŕa realizar.

10. Ter uma explicação didática do funcionamento do ensaio, além de mostrar a mon-tagem na bancada do ensaio.

11. Plotar, em tempo real, os dados adquiridos e convertidos para temperatura, depen-dente do ensaio que está realizando.

12. Permitir que o usuário interrompa e inicie o ensaio a qualquer momento.

A aplicação deve ser instalada no computador que irá fazer análise e coletará as seguintes informações do Módulo de aquisição de dados:

1. Valor de temperatura atual em todos os termopares de cada Módulo Experimental 2. Ganho que consta no controlador de ganho no momento

3. Sinal de falta de alguma das bancadas ligadas

Como o canal USB é uma via cujo faz transmissão de entrada e saída ao mesmo tempo, o software poderá enviar de sinal para o Módulo de aquisição de dados:

1. Alterar o valor de ganho do módulo de amplificação e conversão 2. Alterar a porta de acesso USB do computador

(50)

48 Capítulo 3. Projeto de Bancada

3. Alterar a seleção do Multiplexador dos canais de aquisição para selecionar o módulo de amplificação e conversão desejado.

(51)

49

4 Desenvolvimento

4.1

Proposta e solução em eletrônica

4.1.1

Módulo de Aquisição de dados

Para fazer o processamento dos dados, será utilizado um arduino nano. O Arduino é um dispositivo microprocessado que pode ser utilizado por projetistas amadores e pro-fissionais (Arduino.cc, 2018). O circuito integrado oficial de processamento é um CI do fabricante AtMel modelo AtMega 328p. Uma das vantagens do arduino é ser uma placa de hardware livre, ou seja, o projeto dela está disponível para qualquer projetista montar e/ou fazer modificações a partir do projeto base.

O arduino utilizado no projeto será o modelo nano. O modelo existe em duas versões, 2.3 e v3.0, o modelo 2.3 conta com o processador Atmega 168 SMD com 16KB Flash, 1kB SRAM, 521B EEPROM, e 8 canais com conversor A/D de 10 bits. O modelo V3.0 conta com um processador AtMega 328p SMD, o mesmo processador do arduino oficial porém com encapsulamento SMD. O processador AtMega 328p conta com 32KB Flash, 2kB SRAM, 1kB EEPROM, velocidade de clock de 16MHz. As especificações demonstram que o AtMega328p tem o dobro de especificações do que o AtMega168. Além disso, o modelo V3.0 conta com uma porta microUSB capaz de fazer a programação da placa diretamente por ela, não necessitanto de um arduino comum para programar como nos modelos 2.3.

Tabela 3 – Especificações Arduíno Nano (Arduino.cc,2008)

Característica Modelo 2.3 Modelo v3.0

Processador AtMega 168 SMD AtMega 328p SMD

Memória Flash 16kB 32kB

SRAM 1kB 2kB

EEPROM 521B 1kB

(52)

50 Capítulo 4. Desenvolvimento

4.1.2

Módulo de amplificação e conversão de dados

Para realizar a conversão dos dados, serão utilizados circuitos integrados de preci-são, que garante a integridade dos sinais adquiridos. A conversão de dados do termopar será feita a partir de dois CI’s diferentes, o INA125 e o AD595. O INA125 é um ampli-ficador de alta precisão e o AD595 é um ampliampli-ficador para uso específico de termopares. O motivo de utilizar os dois CI’s para a mesma aplicação é demonstar a diferença entre amplificadores já pré-calibrados e que não necessita de compensação da junta de referên-cia, e amplificadores com ganho variado o qual necessita de uma compensação da junta de referência.

O INA 125 é um amplificador fabricado pela Texas Instruments com baixo con-sumo, alta acurácia e uma tensão de referência precisa. O circuito integrado conta com um encapsulamento DIP de 16 pinos. A pinagem do CI é apresentada na figura 15

Figura 15 – Pinagem do CI INA125. (TI, 2009)

O ganho do amplificador é em função do valor de resistência entre os pinos 8 e 9. O ganho de acordo com o Datasheet (TI, 2009) é dada pela equação 4.1

𝐺 = 4 + 60𝑘Ω 𝑅𝐺

(4.1)

Logo, como a tensão de entrada do amplificador é dada pela diferença de tensão entre os pinos 6 e 7, a saída amplificada no pino 10 será de acordo com a equação4.2

𝑉0 = (𝑉𝐼𝑁 +− 𝑉𝐼𝑁 −) · 𝐺 (4.2)

O INA125 é um amplificador que é utilizado para o uso de Strain Gauges(Sensores de deformação), porém, pode ser utilizado também para termopares. O termopar utilizado no projeto para análise será um termopar do tipo K (Cromel/Alumel) e, de acordo com o Datasheet o Termopar pode ser ligado como na figura16

(53)

4.1. Proposta e solução em eletrônica 51

Figura 16 – Esquema simplificado INA com Termopar. (TI, 2009)

O resistor de 10𝑘Ω está ligado ao termopar para criar uma corrente de polarização. Esse resistor é necessário porque como impedância de entrada do Termopar é elevada (Cerca de 1011Ω) a corrente de saída de polarização que flui pelo dispositivo de entrada é baixa (Aproximadamente 10𝑛𝐴), logo a variação de tensão da entrada resulta numa baixa variação de corrente de polarização dificultando a leitura do amplificador. Caso não utilize esse resistor de polarização de corrente, a entrada do amplificador flutuará provocando a saturação da saída do amplificador.

Outra questão a ser observada no projeto é a junta de referência citada na seção anterior. Para a aplicação com INA125, a junta de referência deve ser compensada para não haver um erro de leitura da temperatura. Para facilitar, a conexão do termopar é localizada bem próximo a entrada do amplificador, evitando assim, uma resistência equivalente de trilho da PCB. Para realizar a compensação da junta de referência, utilizou-se um sensor de temperatura resistivo localizado próximo a junta de referência e levado ao elemento processador de dados (Arduino) para comparar a temperatura de junta quente e de junta de referência e fazer a compensação.

O elemento sensor que é utilizado para fazer a compensação é o LM35. A tensão de saída deste sensor é linear proporcional a temperatura em que o corpo do sensor está. As principais características do LM35 está na tabela 4 .

Tabela 4 – Características do Sensor LM35 (TI,2017)

No Item Característica Descrição

1 Tensão de Alimentação (𝑉𝑠) 4V até 20V

2 Ganho do Sensor (𝑉𝑜𝑢𝑡/𝐶) 10mV/oC

3 Acurácia de Temperatura (∘𝐶) 0,2oC

4 Faixa de Temperatura (∘𝐶) -55oC até 150oC

5 Calibração Não necessita

O outro método de adquirir os dados do termopar é através do amplificador AD595. Este amplificador tem a aplicação específica para termopares e isso traz consigo algumas vantagens. A primeira é que o amplificador já realiza a compensação da junta fria. Outra vantagem é a saída da amplificação é linear indo −𝑉𝑆 + 2, 5 até +𝑉𝑆 + 2, onde 𝑉𝑆 é a

(54)

52 Capítulo 4. Desenvolvimento

de temperatura indo de 0∘𝐶 até 500𝐶 a ligação é direta com o arduino para processar

o sinal. O AD595 é capaz de notificar, através de um pino de alarme, se o termopar está desconectado da entrada do Amplificador. A desvantagem deste amplificador é que como ele tem uma saída bem regulada, o tipo do termopar é limitado para apenas o tipo K ou tipo T. Caso queira utilizar um termopar tipo J por exemplo terá que usar um amplificador AD594.

O circuito condicionador de dados de temperatura via AD595 é apresentado na figura17 .

Figura 17 – Circuito amplificador de temperatura com AD595. (Produção do próprio au-tor, 2017)

4.1.3

Circuito para configuração do ganho de amplificação

Quando o Termopar tem o sinal condicionado via CI INA125, necessita de uma resistência (𝑅𝐺) cujo ganho está em função dessa resistência. Como no termopar o valor

de tensão de saída tem uma faixa de variação grande, dependendo da resolução de tem-peratura desejada deve-se alterar o ganho (Quanto menor a resolução, maior o ganho) porém, quanto maior o ganho, a faixa de temperatura legível diminui, pois o amplifica-dor irá saturar com uma menor tensão de entrada. Para resolver este problema, deve-se utilizar um ganho variável.

O ganho de amplificação irá variar de forma controlada pelo microcontrolador, a partir de um circuito de seleção de resistências, o microcontrolador via software com controle de portas digitais, seleciona qual a resistência equivalente irá ser colocada entre os pinos 8 e 9 do INA125.

Para o projeto do acionador dos relés, necessitou-se realizar cálculos para especi-ficar os componentes corretos de acionamento. Para isso, o primeiro passo a ser realizado é escolher o relé que irá realizar o acionamento. Como a alimentação de todo o projeto é feita com tensões 12v, preferiu-se escolher relés de acionamento na bobina em 12v. A

(55)

4.1. Proposta e solução em eletrônica 53

figura 18 mostra o esquemático simplificado do projeto de acionamento de um relé pelo arduino.

Figura 18 – Circuito Generalizado para Acionamento de Relé com Arduino. (Produção do próprio autor, 2018)

Para acionar a bobina do relé é necessário conhecer qual a corrente mínima de acionamento. De acordo com o Datasheet do relé de marca Sanyou Relays, modelo SRD-S-112D (Figura 19) a corrente de acionamento da bobina para o modelo de 12v é de 30mA.

Figura 19 – Características da Bobina do Relé SRD-S-112D. (Sanyou Relays, 2018)

Como mostra a figura 18 o transistor utilizado para acionamento é um transistor NPN, logo, por ser um componente fácil de encontrar no mercado e que tem características compatíveis com o projeto, utilizou-se o transistor NPN BC549. Para cálculo do resistor de base (𝑅𝐵) necessário para acionar o relé, obteve-se do Datasheet do BC549 o valor de

Ganho de corrente DC (hfe ou 𝛽), como mostra a figura 20, o valor é de 110 no pior caso. Com o valor mínimo necessário na bobina e o valor de hfe, é possível calcular o valor mínimo de corrente de base (𝐼𝐵) para acionar o relé. Pela figura 18 nota-se que a

corrente através da bobina será o valor de corrente de coletor (𝐼𝐶). Com esses dados, de

acordo com a equação 4.3 é possível calcular o valor da corrente 𝐼𝐵.

𝐼𝐵𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑜 =

𝐼𝐶

ℎ𝑓 𝑒 =

30𝑚𝐴

(56)

54 Capítulo 4. Desenvolvimento

Figura 20 – Características do Transistor NPN BC549. (FairChild, 2002)

Após calcular o valor mínimo de corrente de base (𝐼𝐵) determinou o valor de

resistência de base (𝑅𝐵) máximo permitido para limitar a corrente 𝐼𝐵. Para isso, utilizou

o valor de tensão Base-Emissor de acionamento (𝑉𝐵𝐸(𝑜𝑛)). De acordo com a figura 20

este valor é de 0, 7𝑣 no pior caso. Logo, de acordo com a lei de Ohm, o valor máximo de

𝑅𝐵 está demonstrado na 4.4 . 𝑅𝐵 = 𝑉𝐴𝑟𝑑𝑢𝑖𝑛𝑜− 𝑉𝐵 𝐼𝐵 = 5 − 0, 7 0, 27 = 15, 92𝑘Ω (4.4) Com isso, o valor máximo de 𝑅𝐵 é 15, 92𝑘Ω. Por conveniência, utilizou um resistor

de 10𝑘Ω. Após todos os cálculos para acionamento de um relé, criou o projeto para acionamento dos relés de ganho do INA125, acionando relés para paralelar resistências de ganho, como mostra a figura21.

Pela figura 21 é possível perceber que o ganho será o valor resistivo em paralelo das resistências selecionadas pelo microcontrolador e acionada por relés. Como o ganho é inversamente proporcional a resistência (equação4.1) , percebe-se que quanto mais relés forem ativados, maior será o ganho de amplificação.

4.1.4

Multiplexação dos canais de aquisição de dados.

O módulo de Aquisição de dados é composto por um Arduino, onde é capaz de adquirir 8 sinais analógicos diferentes (Portas A0 até A7). O projeto consiste em 4 placas para amplificador AD595 e 4 placas para amplificador INA125 que, contando com os sinais de junta de referência, totalizam 10 sinais de analógicos difetentes. Para solucionar este problema, utilizou-se um dispositivo para permitir a multiplexação dos canais de aquisição de dados. O CI resposável por fazer esta multiplexação é o Multiplexador 4052. Este CI foi escolhido devido a capacidade de fazer multiplexação de sinais analógicos. O diagrama

(57)

4.1. Proposta e solução em eletrônica 55

Figura 21 – Esquemático do circuito de ganho. (Produção do próprio autor, 2017)

da figura 22 mostra que a partir de uma porta digital (Seletora) podem ser selecionados dois sinais analógicos (Sinal 1 e Sinal 2) diferentes de entrada.

Figura 22 – Diagrama conceitual do Multiplexador. (Produção do próprio autor, 2018)

O 4052 é um multiplexador de 4x2, isso significa que são 4 sinais de entrada para uma saída multiplexada do CI, com o total de 2 saídas. A multiplexação será apenas dos sinais de AD595 e do INA125, logo como no total 8 sinais para 4 saídas, são necessários 2 4052, como mostra a figura 23

Este CI é composto por 16 pinos em encapsulamento DIP onde a pinagem é apre-sentada na figura 24

As chaves seletoras 𝑆1 e 𝑆2 seguem o comportamento de seleção de acordo com a tabela 5

(58)

56 Capítulo 4. Desenvolvimento

Figura 23 – Diagrama de Multiplexação da Bancada. (Produção do próprio autor, 2018)

Figura 24 – Pinagem do Multiplexador 4052. (NXP Semiconductors, 2016)

Tabela 5 – Tabela de seleção do Multiplexador (NXP Semiconductors, 2016) ¯

𝐸 (Bit) S2 (Bit) S1 (Bit) Entrada Ligada

0 0 0 𝑛𝑌 0 para 𝑛𝑍

0 0 1 𝑛𝑌 1 para 𝑛𝑍

0 1 0 𝑛𝑌 2 para 𝑛𝑍

0 1 1 𝑛𝑌 3 para 𝑛𝑍

1 𝑋 𝑋 Saídas desligadas

Para o projeto da bancada, algumas observações devem ser notadas para o condi-cionador de sinais:

∙ Para o funcionamento do Multiplexador com sinais analógicos, o pino 7 (𝑉𝐸𝐸) deverá

ter tensão de funcionamento de −5𝑣.

(59)

4.1. Proposta e solução em eletrônica 57

∙ Devido as tensões de alimentação nos itens anteriores, os valores de entrada devem estar entre os valores de 𝑉𝐷𝐷 e 𝑉𝐸𝐸.

∙ Para o projeto da bancada, só será utilizado entradas 𝑛𝑌 0 e 𝑛𝑌 1, logo, de acordo com a tabela 5 o tensão do pino 9 𝑆2 será sempre 0𝑣.

4.1.5

Resistores de Aquecimento

Os dois Módulos Experimentais da bancada necessitam de um sistema de aqueci-mento. Esta resistência de aquecimento deve ter capacidade de alterar a temperatura do ambiente a qual está, para ser realizado os ensaios de cada módulo experimental.

No Módulo Experimental 1, este aquecimento é feito por resistores de potência. Para isso, utilizou-se resistores de cerâmica (figura 25) com capacidade máxima de 20𝑊 e resistência de 7, 5Ω.

Figura 25 – Resistor Cerâmico.

Para não danificar o resistor, calculou-se qual a potência máxima que será dissipada por ele. As fontes de alimentação de toda bancada são de 12v, logo, de acordo com a equação4.5a potência que será dissipada pelo resistor é menor do que a potência máxima que o fabricante do resistor permite dissipar evitando a avaria do componente.

𝑃 = 𝑉

2

𝑅 =

122

7, 5 = 19, 2𝑊 (4.5)

A corrente elétrica que flui pelo resistor de aquecimento é dada pela equação 4.6 . O valor de 1, 6𝐴 é maior do que a capacidade máxima de corrente que o arduino pode fornecer (50𝑚𝐴), logo, é necessário fazer um acionador desta resistência no qual o arduino apenas controle quando o resistor será energizado.

(60)

58 Capítulo 4. Desenvolvimento 𝐼 = 𝑃 𝑉 = 19, 2 12 = 1, 6𝐴 (4.6)

4.1.6

Controlador de Temperatura

O circuito proposto para solucionar este problema é utilizando transistores do tipo NPN. Estes transistores são fontes controladas por tensão, ou seja, aplicando uma tensão na base de um transistor pode-se controlar a corrente no coletor.

Figura 26 – Simbologia do Transistor NPN.

A ideia para controle de temperatura é um potênciometro controlar a tensão de base do transistor e, em série com o coletor, a carga a qual deseja controlar. Logo, para decisão de qual transistor NPN utilizar, deve-se pensar na tensão base-emissor (𝑉𝐵𝐸) do

transistor e a corrente máxima de coletor (𝐼𝐶) a qual deseja utilizar.

O transistor no qual tem-se características apropriadas para o projeto e também é facilmente encontrado no mercado é o transistor TIP41.

Figura 27 – Características do Transistor NPN TIP41. (FairChild, 2000)

De acordo com a figura 27, a tensão base-emissor (𝑉𝐵𝐸) é de 5𝑣, como a fonte de

tensão da bancada é de 12𝑣, deve-se colocar um regulador de tensão antes do potêncio-metro afim de não danificar o transistor. A tensão coletor-emissor (𝑉𝐵𝐸) é de 60𝑣 para o

(61)

4.2. Fabricação dos dispositivos 59

de 12𝑣. A corrente de coletor é de 6𝐴, logo está dentro do especificado, já que de acordo com a equação 4.6 a corrente máxima que o irá passar através do resistor será de 1, 6𝐴.

O projeto base do controlador de temperatura esta na figura28.

Figura 28 – Esquemático do controlador de temperatura. (Produção do próprio autor, 2018)

4.2

Fabricação dos dispositivos

A fabricação dos dispositivos deste projeto são vários módulos, apresentados nas próximas subseções, que em conjunto forma um sistema de controle, aquisição, amplifi-cação, processamento de toda a bancada. No desenvolvimento das placas houve cuidados para a modularização correta do projeto. Todas as conexões de energização das placas foram projetadas com conectores kre (conexão com parafuso). As conexões de sinal foram realizadas com conector barra de pinos fêmea, pois assim a conexão entre placas pode ser feita via Jumper, facilitando a troca de um módulo em caso de avaria. O processo de fabricação das placas de circuito impresso foram realizadas por meio de processo térmico. A partir da impressão dos esquemáticos no proteus em papel couchê, foram transferidos para as placas de cobre cru por meio de aquecimento e após isso a corrosão com Percloreto

de Ferro (𝐹 𝑒𝐶𝑙3). As soldas dos componentes foram realizadas manualmente.

4.2.1

Módulo de Aquisição de Dados

O módulo de aquisição de dados é uma placa cujo objetivo é receber os dados da bancada, processá-los e enviá-los ao computador. Como descrito na proposta, o pro-cessamento é realizado pelo microcontrolador Arduino. A placa tem conexão com todos os pinos do arduino, alguns pinos tem funções específicas e outros não, podendo assim receber futuras atualizações.

Este módulo tem algumas funções específicas. Pela figura 29 percebe-se que a conexão do arduino é através de barra de pinos, podendo trocar o microcontrolador em caso de alguma avaria. Os pinos de entrada de sinal dos amplificadores são ligados aos

(62)

60 Capítulo 4. Desenvolvimento

pinos analógicos do arduino, e os pinos de controle de relés são ligados a pinos digitais do arduino.

O módulo de Aquisição é protegido contra possível inversão dos cabos de alimenta-ção no momento de alguma manutenalimenta-ção. Esta protealimenta-ção é devida a presença de um diodo de proteção com capacidade de até 5A. Para resolver possível problema de oscilações na energização foram colocados capacitores de 100nF.

Figura 29 – Comparação CAD e PCB do Módulo de Aquisição

Após a fabricação da PCB do módulo de aquisição, soldagem dos equipamentos e teste, as figuras 29mostram o CAD e o módulo pronto.

4.2.2

Módulo de amplificação e conversão de dados

O módulo de amplificação e conversão de dados é uma placa cujo objetivo é receber o sinal do elemento sensor, no caso termopar, converter este sinal para um sinal elétrico e amplificá-lo, para poder utilizá-lo na aquisição dos dados. Como descrito na proposta, existem dois módulos diferentes de conversão de dados, um é feito com o CI INA125 e o outro com o CI AD595.

O conversor projetado com o INA125 é uma placa cujo necessita de uma alimenta-ção simétrica de 12𝑣, entrada para o resistor de ganho do CI, entrada para o termopar e duas saídas, uma constitui do sinal do termopar amplificado e a outra o sinal do LM35 que fica localizado próximo a junta de referência do termopar, podendo fazer a compensação de forma correta.

Este módulo tem algumas funções específicas. O CI INA125 é conectado a placa através de um soquete DIP16, facilitando a troca do CI em caso de alguma avaria. A placa tem integrada a ela um LM35 que mede temperatura da junta de referência, a fim de permitir realizar a compensação da junta. Para resolver possível problema de

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4.2. Fabricação dos dispositivos 61

oscilações na energização foram colocados capacitores de 100nF. As trilhas do circuito tem espessuras de 1mm. Estas espessuras facilitam a fabricação e tem uma capacidade de corrente adequada para o objetivo da placa.

Já o conversor projetado com o AD595 é uma placa cujo também necessita de uma alimentação simétrica de 12𝑣 e entrada para o termopar, porém o que difere do conversor com INA125 é o ganho pré estabelecido interno ao CI, logo não é necessário um circuito de ganho do AD595, e também tem apenas uma saída, a qual constitui do sinal do termopar amplificado. Por ser um amplificador específico para a utilização de Termopares do tipo k, além do ganho fixo, o amplificador consegue fazer a compensação da junta fria interno a ele, necessitando apenas que a conexão do termopar fique próxima a entrada do CI.

Este módulo tem algumas funções específicas. O CI AD595 é conectado a placa através de um soquete DIP14, facilitando a troca do CI em caso de alguma avaria. A saída de Alarme do AD595 foi utilizada para ligar um LED, possibilitando que o usuário perceba se o termopar não está conectado ao módulo. Para resolver possível problema de oscilações na energização foram colocados capacitores de 100nF.

Figura 30 – CAD e PCB do Módulo de Conversão de Dados INA125. (Produção do pró-prio autor, 2018)

Figura 31 – CAD e PCB do Módulo de Conversão de Dados com AD595. (Produção do próprio autor, 2018)

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62 Capítulo 4. Desenvolvimento

Após a fabricação da PCB do módulo de conversão de dados com o INA125 e com o AD595, soldagem dos componentes e teste, as figuras 30 e 31 mostram os CADs e os módulos prontos.

4.2.3

Circuito para configuração do ganho de amplificação

Para o caso do conversor de dados utilizando o INA125, é necessário de um circuito que altere o ganho do amplificador de forma variável. Utilizou-se relés com bobinas de 12𝑣 para manter o padrão do projeto. Estes relés selecionam resistores de forma que a combinação de equivalência entre eles formam o valor de resistência necessário para os ganhos do INA. A tabela 6 apresenta o resistor que tem em cada estágio de relés e o ganho que ele gera para o INA125.

Tabela 6 – Resistência Equivalente no Circuito de Ganho do Amplificador.

Quantidade de relés acionados Resistor Resistência Equivalente Ganho

0 680Ω 680Ω 95

1 820Ω 370Ω 165

2 680Ω 240Ω 250

3 820Ω 185Ω 325

Este módulo tem algumas funções específicas. O módulo funciona de forma de-pendente do Módulo de Aquisição de Dados, visto que parte do acionamento dos relés estão na placa de Aquisição de dados. O módulo de ganho tem proteção contra inversão da alimentação. No momento de alguma manutenção da placa, uma possível inversão da alimentação não causará uma avaria no projeto. Também há uma outra proteção para não ter corrente induzida, vindo da chave do relé, na bobina do relé. Essa corrente in-duzida na bobina, caso não tenha a proteção, pode causar uma queima nas portas do microcontrolador arduino. Essa proteção é projetada com um diodo em paralelo com a bobina invertido ao sentido de corrente e um transistor que aciona a bobina no coletor e a base ligada ao microcontrolador, isolando bobina do relé ao microcontrolador.

Após a fabricação da PCB do circuito de ganho do amplificador, soldagem dos componentes e teste, as figuras 32mostram o CAD e o módulo pronto.

4.2.4

Multiplexação dos canais de aquisição de dados.

O condicionador de sinais é o projeto que faz a seleção de qual sinal após ampli-ficação deseja utilizar (AD595 ou INA125). Para isso utilizou o CI Multiplexador 4052 para fazer essa seleção. O sinal da seletora é ligado a um pino digital do microcontrolador arduino, as entradas do multiplexador são ligadas aos sinais amplficados de cada módulo

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4.2. Fabricação dos dispositivos 63

Figura 32 – CAD e PCB do Módulo de Conversão de Dados AD595. (Produção do próprio autor, 2018)

de conversão de dados. As saídas do multiplexador são ligadas as entradas analógicas do microcontrolador arduino.

Este módulo tem algumas características específicas. Como mostrado na proposta, a tensão de alimentação do módulo é simétrica de 5𝑣, para resolver utilizou-se reguladores de tensão positivos e negativos. O regulador de tensão 7805 faz a regulagem de tensão positiva de 12𝑣 para 5𝑣. O regulador de tensão 7905 faz a regulagem de tensão negativa de −12𝑣 para −5𝑣. Ambos CI’s 4052 são conectados a placa através de soquete DIP16, facilitando a troca de algum dos CI’s em caso de alguma avaria.

Figura 33 – CAD e PCB do Módulo do Condicionador de Sinais. (Produção do próprio autor, 2018)

Após a fabricação da PCB do condicionado de sinais, soldagem dos componentes e teste, as figuras 33 mostram o CAD e o módulo pronto.

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64 Capítulo 4. Desenvolvimento

4.2.5

Controlador de Temperatura

O controlador de temperatura é o projeto que faz o controle da temperatura do resistor de aquecimento. Para isso, utilizou-se um transistor NPN no qual a tensão base-emissor (𝑉𝐵𝐸) é regulada por um potênciometro. A carga do circuito controlador de

tem-peratura é a própria resistência de aquecimento, a qual deseja-se controlar temtem-peratura, que está em série com o coletor do NPN, formando assim um controle de corrente sobre a carga. A entrada de tensão dos resistores vem do circuito de chaveamento do módulo de aquisição, fazendo com que além de controlar a temperatura, seja possível também desligar ou ligar os resistores.

Este módulo tem algumas características específicas. Como mostrado na proposta, a tensão de alimentação da base do transistor é 5𝑣 para resolver utilizou-se regulador de tensão. O regulador utilizado para o projeto é o 7805, cujo objetivo é fazer a regulagem de 12𝑣 para 5𝑣. Tanto o 7805 quanto os 𝑇 𝐼𝑃 41 tem encapsulamento 𝑇 𝑂 − 220. As trilhas da parte de controle da placa são de 1𝑚𝑚 e para a parte de potência são de 2𝑚𝑚.

Figura 34 – CAD e PCB do Módulo do Controlador de Temperatura. (Produção do pró-prio autor, 2018)

Após a fabricação da PCB do condicionado de sinais, soldagem dos componentes e teste, as figuras34 mostram o CAD e o módulo pronto.

4.3

Proposta e solução em Software

O software é um elemento essencial no projeto pois ele é que fará a interação homem máquina. Essa interação deve ser de fácil e simples utilização, além de leve processamento para ser capaz de funcionar tanto em computadores de gerações mais antigas quanto computadores de última geração.

Imagem

Referências

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